波分复用器(第八章光波分复用技术及关键器件)
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3. 波分复用技术的发展 4. 波分复用系统的基本结构 5. 波分复用的技术优势
1. 波分复用的定义
光波分复用(WDM: Wavelength Division Multiplexing)：
在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术.
2. 波分复用的原理
光波分复用的基本原理：
在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用）； 并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输；
3、 阵列波导光栅解复用器（AWG） array-waveguide-grating
D L = 常数
neff
1 2 3 4 1 2 3 4
1 2 3 4
星形耦合器
星形耦合器 阵列波导光栅
.. 输入.
1 2 ... N
1 2
N
N 输出
.
..
2
1
反射光 滤波器1 滤波器2 折射率
高 低 高 低 高
1, 2 , 3
1
反射镜 光纤 干涉 滤波器
2 , 3
3
1, 2 , 3
透射光
光纤
2
棒透镜 光纤
2
棒透镜 棒透镜 光纤 干涉 滤波器
光
干涉滤波器
1
3
反射镜 光纤 干涉 滤波器
棒透镜 棒透镜 光纤 干涉 滤波器 光纤
干涉 滤波器
2. 波分复用器的 光学特性
a. 解复用器 主要光学特性：
中心波长 中心波长范围；
（平均信道间隔的10％）
中心波长对应 的最小插损； 隔离度。
解复用器波长—插入损耗关系曲线图
b. 复用器
主要光学特性：
中心波长
中心波长范围；
（平均信道间隔的10％）
中心波长对应
的最小插损；
第10章 光波分复用器
§8.1 光波分复用技术
§8.2 光波分复用器
§8.3 光分/插复用器
§8.4 光交叉连接器
问题的提出
电时分复用（TDM）存在的问题：
“电子瓶颈”限制： 10Gb/s→40Gb/s… 光纤色散限制 单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽
1
0
1
1
TDM signal
1 1 0 0 1 0 1 1
§8.2
光波分复用器
1. 光分复用器的 定义
2. 光分复用器的 光学特性
3. 光分复用器的 重要参数
4. 几种 光波分复用器
1. 插入损耗
2. 串音
Pii Lii 10 log Pi
Lc 10log
3. 通带带宽
Pij Pi
4.1 棱镜解复用器
. . . n2 n 1< n 2 n1
λ
s
光 分 波 器 λ
λ
1
1 光接收器1
n
光监控信道 发送器
光监控信道 接收/发送器
光接收器n
n
光监控信道 接收器
网络管理系统
光发送机——将来自不同终端的多路光信号分别由光 转发器（OTU）转换为各自特定波长的光信号后，经 光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA） 放大输出至光纤中传输。 光中继放大——用采用了增益平坦技术的EDFA（LA） 实现对不同波长光信号的相同增益放大。 光接收机——先由前置光放大器（PA）放大经传输衰 减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分 出不同特定波长的光信号。
目前水平：商用系统：40×10Gb/s 实验室：82×40Gb/s=3.28Tb/s
基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心
网。
4. 波分复用系统的基本结构
光发送机 1 光转发器1 λ
1
光接收机 光中继放大 光 纤 BA LA
s
n
光转发器n
λ
n
光 合 波 器
光 纤 PA λ
s
λ
λ
s
在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），
并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。
波分复用原理示意图
光发送机λ
1
光接收机λ 1
光发送机λ 2
复 用 器
λ 1 λ 2 …λ N 单根光纤
解 复 用 器
光接收机λ 2
光发送机λ 3
光接收机λ 3
3. 波分复用技术的发展
CWDM：利用1.3和1.55µm附近两个低损耗窗口构 成两个波长的WDM系统。 由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围， 只在一些专门场合应用。 DWDM：在1.55 (1.50~1.60) µm窗口，同时用8，16 或更多个波长的WDM系统，其中各波长之 间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应 于200GHz, 100GHz或更窄的频率间隔。 DWDM技术得到广泛应用。
2 Cz P z P cos 1out in
2 Cz P2out z P sin in
两种提高模耦合型波分复用器隔离度的基本方法：
串拉法
混合方式
4.3 介质膜滤干涉滤波器解复用器
• Multilayer Dielectric Thin-Film Filter • 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长
复用器波长—插入损耗关系曲线图
3. 几种波分复用器
a. 干涉膜型光波分复用器
b. 嵌入式光波分复用器
优点：
全光纤构成，省去准直元件，降低了插入损耗； 光纤和滤光片有一定角度，有效地抑制了回波损耗； 易于批量生产，产品一致性好。
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
c. 模耦合型光波分复用器
AWG 由三个主要部分，即输入 / 输出（ I/O ） 光波导阵列、两个相同的自由传播区的平 板波导和弯曲的波导阵列。 I/O 光波导阵 列和弯曲的波导阵列通过平板波导连接。 SiO2/Si 和 InGaAsP/InP 是目前最为成熟的 材料系统。
n DL n d sin i M i s i
1 1 1 1 1,2,3,4 2 2 2 2 1,2,3,4 3 3 3 3 1,2,3,4 4 4 4 4 1,2,3,4
AW G
1 2 3 4 1,2,3,4 4 1 2 3 1,2,3,4 3 4 1 2 1,2,3,4 2 3 4 1 1,2,3,4
采用普通透 镜的WDM
采用渐变 折射率透 镜，简化 了装置的 校准。
光栅型波分复用器的优点：
波长通道数大（～132Ch）； 通道间隔小（商用～0.4nm）； 插损不随通道数增加（6～7dB）。
光栅型波分复用器的缺点：
温度敏感（～0.01nm/oC），需温度补偿（温控、材料补偿）； 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大损耗）。
向全双工的通信。
1 光发射机
…
1
光接收机
…
1
n
光发射机
n
复用/解复用器
1… n
光纤 放大器 复用/解复用器
光接收机
n
n＋1
光发射机
…
1′
光接收机
…
n ＋1… 2n 2n
1′
n′
光接收机
光发射机
n′
单纤双向WDM传输
双向WDM系统的优点：
可以减少使用光纤和线路放大器的数量。
双向WDM系统的缺点：
AWG 得主要性能指标包括低的中心 波长偏移，高的通带光谱响应、低的 信道串扰、低的插入损耗和低的偏损 依 赖 性 等 ， 由 于 AWG 主 要 应 用 是 DWDM系统的WDM/DEWDM器件， 其信道波长间隔相当窄，因此，必须 精确地控制AWG的中心波长。
AWG应用：波长路由器
波长路由器即NXN型复用、/解复用。 每根输入波导中的 N 个不同波长的光波 分布到 N 个输出波导中，分布规律如下 图所示。每根输出波导接收到的 N 个光 波分别来自 N 个输入波导，这便实现了 路由选择功能。
1 2 3 N
p i
1 2 N
n1
N 1 2
1. 波分复用器的 定 义
是一种用来耦合不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号 的无源器件。
从原理上讲， 这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器 的输出端和输入端反过来使用， 就是复用器。 因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。
光纤
光纤
d. 介质膜多波长光波分复用器
基于窄带介质薄膜滤光片的8通道波分复用/解复用器
介质膜波分复用器的优点：
通带特性好（平顶、隔离度高～25dB）； 偏振相关损耗小（～0.2dB）； 插损低（5～7dB）； 采用高稳定的带通滤光片，温度敏感性小（0.0005nm/ C，
o
不需温控）。
基于AWG的静态波长路由器
AWG特点： •信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） •端口（18 116 132 164) •需要温控（0.01nm/C0) •插损不随通道数增加(6~7dB) •高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损） •隔离度~22dB •PDL<1dB 应用： •复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件）
列阵波导光栅复用器能同时提供有 波长选择的N ×N 联结。它可以工作在 高衍射级，因而可有10- 2纳米级的分辨 率。 同时，它还可用作分波器、合波 器、波长选择开关、多波长激光器等。
用SiO 2， InGaAsP/ In 以及多种有机材料 制备的实用化器件已经出现。它结构紧凑， 集成度高，性能稳定，信号畸变小，通道 间窜扰小，误码率低，输入输出及片内的 损耗都较低。可以确信， 采用列阵波导光 栅的高可靠性的N 通道的DWDM 光互联系 统是可以实现的。
介质膜波分复用器的缺点：
波长数不大于16CH；波长间隔不小于0.8nm； 价格较高； 是16通道WDM系统中主要选用的器件。
e. 光栅型多波长光波分复用器
在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和 普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然 后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。
AWG: 规则排列的波 导，相邻波导的长度相 差固定值DL
D
2neff DL
AWG器件实物样品
1010 AWG器件樣品
55 AWG器件樣品
阵列波导光栅 (AWG) ，也称作相位阵 列 (Phased Array) ，是 WDM 通信系统中 的关键器件，除了可作为波分复用/解复用 器外, 它还是光互连器件的关键组成部分 , 已经成为 WDM 系统中不可缺少的核心器 件。
2 P 2out z P in sin Kz
2 P z P cos Kz 1out in
sin2 s1 1(或0)
s1 s2
s1 =（KL） 1
s2 =（KL） 2
2
+m
对特定波长为λ1和λ2，选择光纤 参数，调整耦合长度，使： 在直通臂：P1out(λ1)=1， P1out(λ2)=0; 在耦合臂：P2out(λ1)=0， P2out(λ2)=1; 对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55 μm的模耦合型解复用器，可以做 到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度 大于20 dB。
光监控信道（OSC）——监控系统内各信道的传输情 况。在发送端，插入本节点产生的波长为λs的光监控 信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主 信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号 进行分离，输出为λs波长的光监控信号和业务信道光 信号。 网络管理系统——通过光监控信道物理层传送的开销 字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对 WDM进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等 功能，并与上级管理系统通信。
signal1
1 0 0 1
signal2
光纤损耗谱特性
仅利用光纤的两个低损耗传输窗口，总带宽超过30THz， 全波光纤的带宽更宽。
光纤的可利用带宽非常宽。
若一根光纤仅传输一个波长信号，是对光纤带宽资源
的 极大浪费。
因此，产生了光波分复用技术。
§8.1 光波分复用技术
1. 波分复用的定义
2. 波分复用的原理
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： 双纤单向传输和单纤双向传输。
(1) 双纤单向传输
源自文库
单向WDM传输：指所有光通路同时在一根光纤上沿
同一方向传送； 由于各信号是通过不同光波长携带 的，彼此之间不会混淆； 在接收端通过光解复用器将不同波 长的信号分开，完成多路光信号传 输的任务。
双纤单向传输
(2) 单纤双向传输 双向WDM传输：指光通路在一根光纤上同时向两个不同的 方向传输。所用波长相互分开，以实现双
其开发和应用相对说来要求较高。 如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意
光反射的影响、 双向通路之间的隔离、 串扰的类型和数值、 两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、 光监控信道(OSC)传输、
自动功率关断等，
要使用双向光纤放大器。
5. WDM技术的主要优势
充分利用光纤的巨大带宽资源。 同时传输多种不同类型的信号。 节省线路投资。 降低器件的超高速要求。 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。
1. 波分复用的定义
光波分复用(WDM: Wavelength Division Multiplexing)：
在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术.
2. 波分复用的原理
光波分复用的基本原理：
在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用）； 并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输；
3、 阵列波导光栅解复用器（AWG） array-waveguide-grating
D L = 常数
neff
1 2 3 4 1 2 3 4
1 2 3 4
星形耦合器
星形耦合器 阵列波导光栅
.. 输入.
1 2 ... N
1 2
N
N 输出
.
..
2
1
反射光 滤波器1 滤波器2 折射率
高 低 高 低 高
1, 2 , 3
1
反射镜 光纤 干涉 滤波器
2 , 3
3
1, 2 , 3
透射光
光纤
2
棒透镜 光纤
2
棒透镜 棒透镜 光纤 干涉 滤波器
光
干涉滤波器
1
3
反射镜 光纤 干涉 滤波器
棒透镜 棒透镜 光纤 干涉 滤波器 光纤
干涉 滤波器
2. 波分复用器的 光学特性
a. 解复用器 主要光学特性：
中心波长 中心波长范围；
（平均信道间隔的10％）
中心波长对应 的最小插损； 隔离度。
解复用器波长—插入损耗关系曲线图
b. 复用器
主要光学特性：
中心波长
中心波长范围；
（平均信道间隔的10％）
中心波长对应
的最小插损；
第10章 光波分复用器
§8.1 光波分复用技术
§8.2 光波分复用器
§8.3 光分/插复用器
§8.4 光交叉连接器
问题的提出
电时分复用（TDM）存在的问题：
“电子瓶颈”限制： 10Gb/s→40Gb/s… 光纤色散限制 单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽
1
0
1
1
TDM signal
1 1 0 0 1 0 1 1
§8.2
光波分复用器
1. 光分复用器的 定义
2. 光分复用器的 光学特性
3. 光分复用器的 重要参数
4. 几种 光波分复用器
1. 插入损耗
2. 串音
Pii Lii 10 log Pi
Lc 10log
3. 通带带宽
Pij Pi
4.1 棱镜解复用器
. . . n2 n 1< n 2 n1
λ
s
光 分 波 器 λ
λ
1
1 光接收器1
n
光监控信道 发送器
光监控信道 接收/发送器
光接收器n
n
光监控信道 接收器
网络管理系统
光发送机——将来自不同终端的多路光信号分别由光 转发器（OTU）转换为各自特定波长的光信号后，经 光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA） 放大输出至光纤中传输。 光中继放大——用采用了增益平坦技术的EDFA（LA） 实现对不同波长光信号的相同增益放大。 光接收机——先由前置光放大器（PA）放大经传输衰 减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分 出不同特定波长的光信号。
目前水平：商用系统：40×10Gb/s 实验室：82×40Gb/s=3.28Tb/s
基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心
网。
4. 波分复用系统的基本结构
光发送机 1 光转发器1 λ
1
光接收机 光中继放大 光 纤 BA LA
s
n
光转发器n
λ
n
光 合 波 器
光 纤 PA λ
s
λ
λ
s
在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），
并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。
波分复用原理示意图
光发送机λ
1
光接收机λ 1
光发送机λ 2
复 用 器
λ 1 λ 2 …λ N 单根光纤
解 复 用 器
光接收机λ 2
光发送机λ 3
光接收机λ 3
3. 波分复用技术的发展
CWDM：利用1.3和1.55µm附近两个低损耗窗口构 成两个波长的WDM系统。 由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围， 只在一些专门场合应用。 DWDM：在1.55 (1.50~1.60) µm窗口，同时用8，16 或更多个波长的WDM系统，其中各波长之 间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应 于200GHz, 100GHz或更窄的频率间隔。 DWDM技术得到广泛应用。
2 Cz P z P cos 1out in
2 Cz P2out z P sin in
两种提高模耦合型波分复用器隔离度的基本方法：
串拉法
混合方式
4.3 介质膜滤干涉滤波器解复用器
• Multilayer Dielectric Thin-Film Filter • 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长
复用器波长—插入损耗关系曲线图
3. 几种波分复用器
a. 干涉膜型光波分复用器
b. 嵌入式光波分复用器
优点：
全光纤构成，省去准直元件，降低了插入损耗； 光纤和滤光片有一定角度，有效地抑制了回波损耗； 易于批量生产，产品一致性好。
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
c. 模耦合型光波分复用器
AWG 由三个主要部分，即输入 / 输出（ I/O ） 光波导阵列、两个相同的自由传播区的平 板波导和弯曲的波导阵列。 I/O 光波导阵 列和弯曲的波导阵列通过平板波导连接。 SiO2/Si 和 InGaAsP/InP 是目前最为成熟的 材料系统。
n DL n d sin i M i s i
1 1 1 1 1,2,3,4 2 2 2 2 1,2,3,4 3 3 3 3 1,2,3,4 4 4 4 4 1,2,3,4
AW G
1 2 3 4 1,2,3,4 4 1 2 3 1,2,3,4 3 4 1 2 1,2,3,4 2 3 4 1 1,2,3,4
采用普通透 镜的WDM
采用渐变 折射率透 镜，简化 了装置的 校准。
光栅型波分复用器的优点：
波长通道数大（～132Ch）； 通道间隔小（商用～0.4nm）； 插损不随通道数增加（6～7dB）。
光栅型波分复用器的缺点：
温度敏感（～0.01nm/oC），需温度补偿（温控、材料补偿）； 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大损耗）。
向全双工的通信。
1 光发射机
…
1
光接收机
…
1
n
光发射机
n
复用/解复用器
1… n
光纤 放大器 复用/解复用器
光接收机
n
n＋1
光发射机
…
1′
光接收机
…
n ＋1… 2n 2n
1′
n′
光接收机
光发射机
n′
单纤双向WDM传输
双向WDM系统的优点：
可以减少使用光纤和线路放大器的数量。
双向WDM系统的缺点：
AWG 得主要性能指标包括低的中心 波长偏移，高的通带光谱响应、低的 信道串扰、低的插入损耗和低的偏损 依 赖 性 等 ， 由 于 AWG 主 要 应 用 是 DWDM系统的WDM/DEWDM器件， 其信道波长间隔相当窄，因此，必须 精确地控制AWG的中心波长。
AWG应用：波长路由器
波长路由器即NXN型复用、/解复用。 每根输入波导中的 N 个不同波长的光波 分布到 N 个输出波导中，分布规律如下 图所示。每根输出波导接收到的 N 个光 波分别来自 N 个输入波导，这便实现了 路由选择功能。
1 2 3 N
p i
1 2 N
n1
N 1 2
1. 波分复用器的 定 义
是一种用来耦合不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号 的无源器件。
从原理上讲， 这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器 的输出端和输入端反过来使用， 就是复用器。 因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。
光纤
光纤
d. 介质膜多波长光波分复用器
基于窄带介质薄膜滤光片的8通道波分复用/解复用器
介质膜波分复用器的优点：
通带特性好（平顶、隔离度高～25dB）； 偏振相关损耗小（～0.2dB）； 插损低（5～7dB）； 采用高稳定的带通滤光片，温度敏感性小（0.0005nm/ C，
o
不需温控）。
基于AWG的静态波长路由器
AWG特点： •信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） •端口（18 116 132 164) •需要温控（0.01nm/C0) •插损不随通道数增加(6~7dB) •高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损） •隔离度~22dB •PDL<1dB 应用： •复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件）
列阵波导光栅复用器能同时提供有 波长选择的N ×N 联结。它可以工作在 高衍射级，因而可有10- 2纳米级的分辨 率。 同时，它还可用作分波器、合波 器、波长选择开关、多波长激光器等。
用SiO 2， InGaAsP/ In 以及多种有机材料 制备的实用化器件已经出现。它结构紧凑， 集成度高，性能稳定，信号畸变小，通道 间窜扰小，误码率低，输入输出及片内的 损耗都较低。可以确信， 采用列阵波导光 栅的高可靠性的N 通道的DWDM 光互联系 统是可以实现的。
介质膜波分复用器的缺点：
波长数不大于16CH；波长间隔不小于0.8nm； 价格较高； 是16通道WDM系统中主要选用的器件。
e. 光栅型多波长光波分复用器
在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和 普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然 后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。
AWG: 规则排列的波 导，相邻波导的长度相 差固定值DL
D
2neff DL
AWG器件实物样品
1010 AWG器件樣品
55 AWG器件樣品
阵列波导光栅 (AWG) ，也称作相位阵 列 (Phased Array) ，是 WDM 通信系统中 的关键器件，除了可作为波分复用/解复用 器外, 它还是光互连器件的关键组成部分 , 已经成为 WDM 系统中不可缺少的核心器 件。
2 P 2out z P in sin Kz
2 P z P cos Kz 1out in
sin2 s1 1(或0)
s1 s2
s1 =（KL） 1
s2 =（KL） 2
2
+m
对特定波长为λ1和λ2，选择光纤 参数，调整耦合长度，使： 在直通臂：P1out(λ1)=1， P1out(λ2)=0; 在耦合臂：P2out(λ1)=0， P2out(λ2)=1; 对于λ1和λ2分别为1.3μm和1.55 μm的模耦合型解复用器，可以做 到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度 大于20 dB。
光监控信道（OSC）——监控系统内各信道的传输情 况。在发送端，插入本节点产生的波长为λs的光监控 信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主 信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号 进行分离，输出为λs波长的光监控信号和业务信道光 信号。 网络管理系统——通过光监控信道物理层传送的开销 字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对 WDM进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等 功能，并与上级管理系统通信。
signal1
1 0 0 1
signal2
光纤损耗谱特性
仅利用光纤的两个低损耗传输窗口，总带宽超过30THz， 全波光纤的带宽更宽。
光纤的可利用带宽非常宽。
若一根光纤仅传输一个波长信号，是对光纤带宽资源
的 极大浪费。
因此，产生了光波分复用技术。
§8.1 光波分复用技术
1. 波分复用的定义
2. 波分复用的原理
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： 双纤单向传输和单纤双向传输。
(1) 双纤单向传输
源自文库
单向WDM传输：指所有光通路同时在一根光纤上沿
同一方向传送； 由于各信号是通过不同光波长携带 的，彼此之间不会混淆； 在接收端通过光解复用器将不同波 长的信号分开，完成多路光信号传 输的任务。
双纤单向传输
(2) 单纤双向传输 双向WDM传输：指光通路在一根光纤上同时向两个不同的 方向传输。所用波长相互分开，以实现双
其开发和应用相对说来要求较高。 如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意
光反射的影响、 双向通路之间的隔离、 串扰的类型和数值、 两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、 光监控信道(OSC)传输、
自动功率关断等，
要使用双向光纤放大器。
5. WDM技术的主要优势
充分利用光纤的巨大带宽资源。 同时传输多种不同类型的信号。 节省线路投资。 降低器件的超高速要求。 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。